DE102008018387B4 - Method and device for movement correction - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungskorrektur bei der Bildgebung während einer medizinischen Intervention eines Patienten. Vor der Intervention wird ein vorzugsweise tomographisches 3-D-Bild (11) eines Zielbereiches der Intervention aufgezeichnet, während der Intervention wird ein 2-D-Bild (13) des Zielbereiches aufgezeichnet und mit dem 3-D-Bild (11) registriert, im 2-D-Bild (13) werden sichtbare Bildmerkmale (24, 26) von sich bewegenden Strukturen (14, 24, 26) automatisch ermittelt bzw. identifiziert, in weiteren, aus der gleichen Projektion aufgenommenen 2-D-Bildern (13) wird aus diesen sichtbaren Bildmerkmalen (24, 26) die Bewegung (28) des Patienten bestimmt. Des Weiteren werden im 2-D-Bild (13) vorhandene Bildmerkmale als sogenannte anatomische Fixpunkte (30) von nahezu starren und/oder von der Bewegung unabhängigen Strukturen ermittelt bzw. identifiziert, wobei ausgehend von den genannten Fixpunkten für jeden weiteren Bildpunkt eine Korrektur der 2-D/3-D-Registrierung zum Ausgleich der zuvor bestimmten Bewegung (28) berechnet wird und die 2-D-Bilder (13) gemeinsam mit dem 3-D-Bild (11, 25) visualisiert werden und die 3-D-Bilder (11, 25) und/oder 2-D-Bilder (13) der Bewegung (28) entsprechend angepasst werden.The invention relates to a method and a device for movement correction during imaging during a medical intervention of a patient. Prior to the intervention, a preferably tomographic 3-D image (11) of a target area of the intervention is recorded, during the intervention a 2-D image (13) of the target area is recorded and registered with the 3-D image (11), In the 2-D image (13), visible image features (24, 26) of moving structures (14, 24, 26) are automatically determined or identified, in further 2-D images (13) taken from the same projection. the movement (28) of the patient is determined from these visible image features (24, 26). Furthermore, existing image features in the 2-D image (13) are determined or identified as so-called anatomical fixed points (30) by structures which are virtually rigid and / or independent of the movement, wherein a correction of the 2-D / 3-D registration to compensate for the previously determined movement (28) is calculated and the 2-D images (13) are visualized together with the 3-D image (11, 25) and the 3-D Images (11, 25) and / or 2-D images (13) of the movement (28) are adjusted accordingly.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungskorrektur bei der intra-operativen Bildgebung während einer medizinischen, beispielsweise abdominellen InterventionThe The invention relates to a method and a device for movement correction in intra-operative imaging during a medical, for example, abdominal intervention
Während einer Intervention werden zur Navigation der Instrumente, beispielsweise im Abdomen, mit Hilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder gewonnen. Verglichen mit 3-D-Angio-Bildern zeigen diese Durchleuchtungs- oder 2-D-Bilder zwar keine räumlichen (3-D) Details, sie sind jedoch schneller verfügbar und minimieren die Strahlenbelastung für Patient und Arzt. Idealerweise wird nun die räumliche Information dadurch zurückgewonnen, dass prä- oder intra-operativ aufgenommene 3-D-Bilder z. B. von CT-, 3-D-Angio-, C-Arm-CT- oder MR-Aufnahmen mit den zweidimensionalen Bildern registriert werden und diesen unterlegt werden. Die Kombination von co-registrierten 2-D- und 3-D-Bildern erlaubt dem Arzt nun eine bessere Orientierung im Volumen. Diese 2-D/3-D-Registrierung besteht aus zwei Schritten.During one Intervention will be used to navigate the instruments, for example in the abdomen, using fluoroscopic fluoroscopy real-time images won. Compared to 3-D angio images, these fluoroscopy or 2-D images though no spatial (3-D) details, but they are faster available and minimize radiation exposure for patient and doctor. Ideally, the spatial information is now recovered that pre- or Intraoperatively recorded 3-D images z. From CT, 3-D angio, C-arm CT or MR images be registered with the two-dimensional images and this be underlaid. The combination of co-registered 2-D and 3-D images now allow the doctor a better orientation in the volume. This 2-D / 3-D registration consists of two steps.
1. Bildregistrierung:1st picture registration:
Zunächst muss bestimmt werden, aus welcher Richtung ein 3-D-Volumen projiziert werden muss, damit es mit dem 2-D-Bild in Deckung gebracht werden kann. Hierfür gibt es verschiedene Ansätze, die beispielsweise in Penney [1] beschrieben sind.First of all must determine from which direction a 3-D volume must be projected so that it can be brought into line with the 2-D image. There are for this different approaches, which are described for example in Penney [1].
2. Visualisierung:2. Visualization:
Das
zweite Problem ist die Visualisierung der registrierten Bilder,
d. h. die gemeinsame Darstellung von 2-D-Bild und projiziertem 3-D-Bild.
Die Standardmethode hierfür
ist das sogenannte ”Overlay”, bei dem
die beiden Bilder anhand verschiedener Methoden übereinander gelegt werden,
wie dies beispielsweise in der älteren
Patentanmeldung
Ein Problem der 2-D/3-D-Registrierung, speziell bei abdominellen Anwendungen, wie beispielsweise bei Leberpunktionen oder bei der Navigation im Gefäß-System der Leber, besteht nun darin, dass die 3-D-Bilder statisch sind, d. h. in einer bestimmten Atemphase aufgenommen worden sind. In den 2-D-Bildern sind jedoch die Atembewegungen deutlich zu erkennen.One Problem of 2-D / 3-D registration, especially in abdominal applications, such as in liver punctures or in navigation in the Vascular System liver, is that the 3-D images are static, d. H. taken in a certain respiratory phase. In the 2-D pictures However, the respiratory movements are clearly visible.
Die Registrierung von 3-D-Bildern zu 2-D-Röntgenbildern ist aus ”Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions” von Graeme Patrick Penney [1] bekannt.The Registration of 3-D images to 2-D X-ray images is from "Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Intervention "of Graeme Patrick Penney [1] known.
Für andere
Anwendungen, wie beispielsweise CT-geführten Interventionen oder MR-Untersuchungen,
wird die Atembewegung oft anhand externer Sensoren, beispielsweise
in um das Zwerchfell gelegten Gürteln,
bestimmt, wie dies beispielsweise in der
In
der älteren
Patentanmeldung
In
der älteren
Patentanmeldung
In
der Offenlegungsschrift
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass auf einfache Weise eine Anpassung von statischen 3-D-Bildern und dynamischen 2-D-Bildern erfolgen kann. Die Registrierung muss also insbesondere in inhomogen z. B. durch Atembewegungen verschobenen Bereichen angepasst werden.The Invention is based on the object, a method of the aforementioned Form such a way that in a simple way an adaptation of static 3-D images and dynamic 2-D images. The registration must therefore in particular in inhomogeneous z. B. shifted by breathing movements Be adapted to areas.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Verfahren- und vorrichtungsbezogenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den davon abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by the method and device-related features specified in the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bewegungskorrektur bei der Bildgebung während einer medizinischen Intervention eines Patienten. Ausgehend von den Schritten:
- – Vor der Intervention wird ein vorzugsweise tomographisches 3-D-Bild eines Zielbereiches der Intervention aufgezeichnet,
- – während der Intervention wird ein 2-D-Bild des Zielbereiches aufgezeichnet und mit dem 3-D-Bild registriert, werden/wird:
- – im 2-D-Bild sichtbare Bildmerkmale von sich bewegenden Strukturen identifiziert bzw. automatisch ermittelt,
- – in weiteren, aus der gleichen Projektion aufgenommenen 2-D-Bildern aus diesen sichtbaren Bildmerkmalen die Bewegung des Patienten bestimmt,
- – weitere, im 2-D-Bild vorhandene Bildmerkmale als sogenannte anatomische Fixpunkte von starren und/oder nahezu starren und/oder von der Bewegung unabhängigen Strukturen identifiziert bzw. ermittelt,
- – ausgehend von den genannten Fixpunkten für jeden weiteren Bildpunkt eine Korrektur der 2-D/3-D-Registrierung zum Ausgleich der zuvor bestimmten Bewegung berechnet und
- – die 2-D-Bilder überlagert mit dem 3-D-Bild visualisiert werden.
- Before the intervention, a preferably tomographic 3-D image of a target area of the intervention is recorded,
- - during the intervention, a 2-D image of the target area is recorded and registered with the 3-D image, will / will:
- Identifies image features of moving structures that are visible in the 2-D image, or determines them automatically,
- In further, from the same projection recorded 2-D images from these visible image characteristics determines the movement of the patient,
- Further image features present in the 2-D image are identified or determined as so-called anatomical fixed points of rigid and / or nearly rigid and / or movement-independent structures,
- - calculated on the basis of said fixed points for each further pixel, a correction of the 2-D / 3-D registration to compensate for the previously determined movement and
- - The 2-D images are superimposed visualized with the 3-D image.
Die
Erfindung sieht des weiteren vor, dass die identifizierten Fixpunkte
zu einer Fixlinie miteinander vorzugsweise durch eine Spline-Funktion
verbunden werden, um einen von der Bewegung unabhängigen Bereich
im 2-D-Bild zu kennzeichnen, der bei der Korrektur der 2-D/3-D-Registrierung
berücksichtigt
wird und die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder (
Diese Fixlinie kennzeichnet Bereiche, die sich nicht oder nur sehr wenig z. B. mit der Atmung bewegen. Beispielhaft könnte das der obere Herzrand oder die Teile des Abdomens sein, die weiter vom Zwerchfell entfernt liegen.These Fixed line indicates areas that are not or only very slightly z. B. with breathing. By way of example, this could be the upper edge of the heart or those parts of the abdomen that are farther from the diaphragm lie.
Zusätzlich kann für die Fixlinie zumindest ein Parameter eingeführt werden, der den Grad der Unabhängigkeit von der Bewegung für den genannten Bereich festlegt.In addition, can for the Fixed line at least one parameter can be introduced, which determines the degree of independence from the movement for defines the area mentioned.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, ausgebildet mit Modulen zur Bewegungskorrektur bei der Bildgebung während einer medizinischen Intervention eines Patienten gemäß des oben erwähnten Verfahrens.One Another aspect of the invention is a device formed with modules for motion correction during imaging during a medical Intervention of a patient according to the above mentioned Process.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine Bewegungskorrektur in Bereichen ermöglicht wird, die sich bei einer Intervention sehr inhomogen mit der Atmung verschieben (z. B. Teile des Abdomens oder des Herzens).Of the Advantage of the invention is in particular that a movement correction in areas Being at an intervention very inhomogeneous with the breathing move (eg parts of the abdomen or the heart).
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben.below is an embodiment of Invention described in more detail with reference to a drawing.
In der Zeichnung zeigen:In show the drawing:
Aus
der
Der
Röntgenbilddetektor
Im
Strahlengang der Röntgenstrahlungsquelle
Zur
Erstellung von 3-D-Datensätzen
wird der drehbar gelagerte C-Bogen
Bei
dem zu untersuchenden Objekt
Die
Röntgenstrahlungsquelle
Die
Röntgenstrahlungsquelle
Anhand
der
Aus
diesem Grunde geht die ältere
Patentanmeldung
Die
In
Wie
in
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren gemachte Annahme besteht darin, dass die Atembewegung in Bildebene stattfindet und evtl. weiter einer gewissen Vorzugsrichtung unterliegt. Aus physiologischen Gründen verläuft dieses beispielsweise entlang der Körperachse. In den aus den üblichen Projektionsrichtungen (vor allem der AP-Projektionen aufgenommenen 3-D-Bildern entspricht dies einer Bewegung in „Auf-Abrichtung”).An assumption made for the method according to the invention consists in the fact that the respiratory movement takes place in the image plane and is possibly further subject to a certain preferred direction. For physiological reasons, this runs along the body axis, for example. In the from the usual projection directions (especially the AP projections recorded 3-D images corresponds to a movement in "up-dressing").
Ebenfalls aus physiologischen Gründen hat die Atembewegung im 2D-Bild gewisse „Fixpunkte”, also Bereiche, die sich nicht oder nur sehr wenig mit der Atmung bewegen. Beispiele hierfür sind der obere Herzrand und die Teile des Abdomens, die weiter vom Zwerchfell entfernt liegen. Ausgehend von einem zum 2-dimensionalen Durchleuchtungsbild (2D-Bild) registrierten 3-D-Volumendatensatz (entweder nativ oder als 3-D-Angiographie), verläuft die Atemkorrektur vorzugsweise wie folgt:
- 1. Wie in der älteren Patentanmeldung
DE 10 2007 015 792.6 5 ). - 2. Zusätzlich
werden im Bild vom Benutzer gewisse anatomische „Fixpunkte” markiert (siehe
6 und7 ), die Punkte mit typischerweise wenig oder gar keiner Atembewegung bezeichnen. Im Herzen können dies z. B. die oberen Herzbereiche sein. - 3. Diese Fixpunkte können vom System zu einer „Fixlinie” verbunden werden, z. B. durch eine sogenannte Spline-Funktion. Dies kennzeichnet dann einen atemstabilen Bereich.
- 4. Zusätzlich
kann für
diese Fixlinie noch ein Parameter, beispielsweise aus dem Intervall
zwischen 0 und 1, angegeben werden. Dieser bezeichnet, wie starr
die Fixpunkte oder -linie sein soll. Null bedeutet beispielsweise,
dass sich die Punkte überhaupt
nicht mit der Atmung bewegen. Eins kann bedeuten, dass sich die
Punkte so verhalten wie die im Bild ermittelte Atembewegung.
Dies
wäre dann
der Spezialfall der „starren” Verschiebung
wie sie beispielsweise in
5 gezeigt wird. Das 3-D-Overlay wird „gewarpt” (z. B. verformt, gestreckt, gestaucht bzw. gedreht), in dem für jeden Punkt des Overlay eine individuelle Korrekturrichtung berechnet wird. Diese entspricht beispielsweise weit entfernt von der Fixpunktlinie der vollen unter 1. berechneten Korrekturrichtung, während sie nahe der Fixpunktlinie nahezu keiner Korrektur entspricht. In den Bereichen dazwischen wird die Korrektur entsprechend interpoliert. Dieses Vorgehen zur Korrektur liefert ein sich den unterschiedlichen Bewegungen optimal angepasstes Ergebnis. Es können vor allem Korrekturen für Bereiche vorgenommen werden, die sich inhomogen mit der Atmung verschieben (z. B. im Herzen).
- 1. As in the earlier patent application
DE 10 2007 015 792.6 5 ). - 2. In addition, certain anatomical "fixed points" are marked in the image by the user (see
6 and7 ), which designate points with typically little or no respiratory motion. In the heart of this z. B. be the upper heart areas. - 3. These fixed points can be connected by the system to a "fixed line", eg. B. by a so-called spline function. This then marks a breath-stable area.
- 4. In addition, a parameter, for example from the interval between 0 and 1, can be specified for this fix line. This indicates how rigid the fixed points or lines should be. Zero means, for example, that the points do not move at all with the breathing. One thing can mean that the points behave in the same way as the breathing movement determined in the picture. This would then be the special case of the "rigid" shift as in, for example,
5 will be shown. The 3-D overlay is "warped" (eg, deformed, stretched, compressed, or rotated) by calculating an individual correction direction for each point of the overlay. For example, this corresponds far from the fixed point line of the full correction direction calculated under 1., while it corresponds to almost no correction near the fixed point line. In the areas in between, the correction is interpolated accordingly. This procedure for correction provides a result optimally adapted to the different movements. In particular, corrections can be made for areas that are inhomogeneous with respiration (eg, in the heart).
Im
Rahmen der Erfindung kann es sich bei dem tomographischen bildgebenden
Gerät beispielsweise
um Röntgen-C-Bogen-Systeme,
Röntgen-Biplan-Geräte, Computertomographen,
MR oder PET handeln. Anstelle des in
Literaturliterature
- [1] Graeme Patrick Penney, Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions Phd thesis, University College London, CISG, Division of Radiological Sciences, Guy's Hospital, King's College London, London SE1 9RT England, 2000, Seiten 97 bis 160[1] Graeme Patrick Penney, Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions PhD thesis, University College London, CISG, Division of Radiological Sciences, Guy's Hospital, King's College London, London SE1 9RT England, 2000, pages 97 to 160
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- 11
- Ständerstand
- 22
- C-BogenC-arm
- 33
- RöntgenstrahlungsquelleX-ray source
- 44
- RöntgenbilddetektorX-ray image detector
- 55
- PatientenlagerungstischPatient table
- 66
- Bildsystemimage system
- 77
- Umlaufbahnorbit
- 88th
- Umlaufbahnorbit
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- Objektobject
- 1010
- Strahlenbündelray beam
- 1111
- 3-D-Bild3-D image
- 1212
- Gefäßsystemvascular system
- 1313
- 2-D-Fluoroskopie-Bild2-D fluoroscopic image
- 1414
- Kathetercatheter
- 1515
- Pfeilarrow
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- ÜberlagerungsbildOverlay image
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- Pfeilarrow
- 1818
- Brustkorbthorax
- 1919
- Lungenflügellung
- 2020
- Zwerchfelldiaphragm
- 2121
- Abdomenabdomen
- 2222
- Doppelpfeil (Zwerchfellbewegung beim Atmen)double arrow (Diaphragm movement while breathing)
- 2323
- Doppelpfeile (an Abdomen weitergegebene Atembewegung)double arrows (respiratory movement transmitted to the abdomen)
- 2424
- Rippen und Linienmerkmaleribs and line characteristics
- 2525
- Zum Fluoroskopie-Bild registriertes und überlagertes 3D Volumen (Umrisse)To the Fluoroscopy image registered and superimposed 3D volume (outlines)
- 2626
- Katheter und Linienmerkmalecatheter and line characteristics
- 2727
- Doppelpfeile (Bewegungsrichtung der einzelnen Merkmale)double arrows (Direction of movement of the individual features)
- 2828
- Doppelpfeile (aus Vorzugsrichtung und Einzelbewegungsrichtungen errechnte Gesamtbewegungsrichtung)double arrows (overall direction of movement calculated from the preferred direction and individual directions of movement)
- 2929
-
Vorzugsrichtung
wie z. B.
22 und23 Preferred direction such. B.22 and23 - 3030
- Fixpunkte (ggf. zu einer Fixlinien verbunden)fixed points (possibly connected to a fixed line)
- 3131
- Individuelle Korrektur zu jedem Bildpunktindividual Correction to each pixel
- 3232
- Freier Bereich (Volle Korrektur)suitor Area (full correction)
- 3333
- ”Gewarpte” Atemkorrektur (schematisch)"Scarred" respiratory correction (Schematically)
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